李澤同

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

貫流式水輪機(jī)在30m水頭段以下,轉(zhuǎn)輪效率、發(fā)電量、過流量、土建開挖量、建設(shè)周期及投資額等均比立式軸流水輪機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。為加大貫流式水輪機(jī)在我國平原河流、潮汐等低水頭水力資源開發(fā)中的推廣應(yīng)用,必須加強(qiáng)水輪機(jī)安裝高程確定,以避免空蝕、機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)等現(xiàn)象,為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。

1 問題的提出

貫流式水輪機(jī)以主軸中心線高程為機(jī)組安裝高程,根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)規(guī)定,水輪機(jī)吸出高度可根據(jù)下式確定:

(1)

式中:HS為水輪機(jī)吸出高度;Kδ為水電站裝置氣蝕系數(shù)和模型氣蝕系數(shù)之比;δM為水輪機(jī)模型空化系數(shù);H為水輪機(jī)工作水頭;▽為水電站海拔高度。

對(duì)于管貫流式水輪機(jī)而言,其安裝高程應(yīng)滿足以下公式:

(2)

式中:▽安為貫流式水輪機(jī)安裝高程;▽W(xué)為設(shè)計(jì)尾水位;D1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑。

由式(2)可知,對(duì)于貫流式水輪機(jī)而言,安裝高程的確定與反擊式水輪機(jī)一致,均與水輪機(jī)吸出高程和設(shè)計(jì)尾水位有關(guān)[1]。然而,貫流式水輪機(jī)運(yùn)行特征與其他反擊式水輪機(jī)不同,其吸出高程和設(shè)計(jì)尾水位也與其他類型機(jī)組存在差異。貫流式水電站屬于徑流式,水電站機(jī)組運(yùn)行水頭隨著天然來水量的變化而變化,當(dāng)來水量增大時(shí),機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)增多,下泄流量隨之增大,下游水位抬高,電站水頭則相應(yīng)減小;而當(dāng)來水量減小時(shí),機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)相應(yīng)減少,下泄流量減小,電站水頭增大。結(jié)合貫流式水輪機(jī)的這一運(yùn)行特點(diǎn),隨著下泄流量的變化,其工作水頭和設(shè)計(jì)尾水位隨之變化,由式(1)和式(2)看出,機(jī)組運(yùn)行時(shí)▽W(xué)+HS最小工況是確定水輪機(jī)安裝高程的關(guān)鍵。故文章以8×30MW的某水電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組為例,展開貫流式水輪機(jī)安裝高程的確定與探討。該水輪機(jī)最大、最小水頭及額定水頭分別位13.4m、3.8m、7.5m,正常蓄水位24.2m;水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑7.5m,機(jī)組額定流量和額定轉(zhuǎn)速分別為455m3/s、68.2r/min。

2 貫流式水輪機(jī)安裝高程計(jì)算

2.1 常規(guī)計(jì)算法

目前,中國《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》及美國土木工程師學(xué)會(huì)《Civil Engineering Guidelines for Planning and Designing Hydroelectric Developments:Volume 3 Powerhouses and Related Topics》中均給出了貫流式水輪機(jī)安裝高程計(jì)算方法。

2.1.1 根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算

根據(jù)哈大所編制的《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,貫流式水輪機(jī)空化基準(zhǔn)面主要位于轉(zhuǎn)輪葉片最高處,故其水輪機(jī)安裝高程與《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定的安裝高程計(jì)算公式一致;吸出高程則按下式確定:

(3)

式中:σ為模型空化系數(shù);△σ為水輪機(jī)氣蝕系數(shù)修正值。貫流式水輪機(jī)氣蝕系數(shù)修正值變化趨勢(shì),見圖1;其余參數(shù)含義同前。

圖1 貫流式水輪機(jī)氣蝕系數(shù)修正值變化趨勢(shì)

根據(jù)圖中所示,設(shè)計(jì)水頭越小,則貫流式水輪機(jī)氣蝕系數(shù)修正值越大。式(3)計(jì)算貫流式水輪機(jī)吸出高程時(shí),既考慮了水輪機(jī)氣蝕系數(shù)的修正,又預(yù)留出1m的氣蝕余量。例如當(dāng)該水電站額定水頭10m,電站海拔高程為100m,且臨界空化系數(shù)取1.55,安全系數(shù)取1.05,則應(yīng)用公式(1)和公式(3)所計(jì)算出的吸出高程分別為-6.39m和-7.42m,后者比前者小1.03m,取值較為保守,故應(yīng)在水電站水輪機(jī)安裝高程設(shè)計(jì)階段采用[2]。

2.1.2 根據(jù)美國土木工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

美國土木工程師學(xué)會(huì)編寫的《Civil Engineering Guidelines for Planning and Designing Hydroelectric Developments:Volume 3 Powerhouses and Related Topics》設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定,應(yīng)根據(jù)立軸機(jī)組相關(guān)控制參數(shù)確定貫流式水輪機(jī)臥式機(jī)組安裝高程,且應(yīng)將臥式水輪機(jī)凈吸出高程HS計(jì)算至轉(zhuǎn)輪中心線位置,水輪機(jī)安裝高程,見圖2,圖中D為轉(zhuǎn)輪直徑,以轉(zhuǎn)輪輪轂處為水輪機(jī)空化基準(zhǔn)面,也可以上葉片頂部為空化基準(zhǔn)面進(jìn)行樁基高程推算。

圖2 水輪機(jī)安裝高程

按照該設(shè)計(jì)導(dǎo)則相關(guān)規(guī)定,貫流式水輪機(jī)安裝高程以及吸出高程按以下公式計(jì)算:

Z=ZW+HS

(4)

HS=Ha-Hv-σHcr

(5)

式中:Z為貫流式水輪機(jī)安裝高程;ZW為下游設(shè)計(jì)尾水位;Ha為大氣壓;Hv為飽和蒸汽壓力;Hcr為吸出高度計(jì)算用水頭,將其轉(zhuǎn)換為國內(nèi)設(shè)計(jì)習(xí)慣,為額定水頭;其余參數(shù)含義同前。

2.2 分析計(jì)算法

基于以上分析,提出一種確定貫流式水輪機(jī)安裝高程的新方法,即在計(jì)算最大、最小水頭范圍內(nèi)若干凈水頭工況下安裝高程及吸出高程的基礎(chǔ)上,進(jìn)行最安全安裝高程的確定[4]。分析計(jì)算步驟如下:

1)當(dāng)水庫在正常蓄水位運(yùn)行時(shí),凈水頭H=▽正-▽W(xué)-△h,△h為機(jī)組運(yùn)行期間流道水力損失值,在0.3～0.5m內(nèi)取值;▽正為正常蓄水位。

2)選擇若干凈水頭用H1～Hn表示,并計(jì)算出凈水頭H1對(duì)應(yīng)的下游尾水位▽w1,查下游水位～流量關(guān)系曲線,得出下泄流量Q1;按照以上方法依次計(jì)算出其余凈水頭所對(duì)應(yīng)的下泄流量。

3)確定不同凈水頭下發(fā)電機(jī)組最大出力對(duì)應(yīng)的過流量以及水輪機(jī)單位流量、單位轉(zhuǎn)速,查模型綜合特征曲線,得出相應(yīng)的空化系數(shù)和水輪機(jī)效率。

4)應(yīng)用式(1)和(2)計(jì)算不同凈水頭下貫流式水輪機(jī)安裝高程及吸出高程。按照以上步驟所得出的水電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組安裝高程結(jié)果。安裝高程計(jì)算結(jié)果,見表1。

表1 安裝高程計(jì)算結(jié)果

由表中計(jì)算結(jié)果可知,該水電站貫流式水輪機(jī)安裝高程及吸出高程均隨凈水頭變化而表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當(dāng)凈水頭在12.3～11.1m之間時(shí),隨著水頭減小,安裝高程和吸出高程均呈增大趨勢(shì);而在凈水頭取11.1～7.5m時(shí),隨著凈水頭減小,安裝高程和吸出高程均減小;在凈水頭取7.5～3.7m時(shí),安裝高程和吸出高程均增大。當(dāng)凈水頭為7.5m時(shí),貫流式水輪機(jī)安裝高程和吸出高程均取最小,故應(yīng)將該機(jī)組安裝高程確定為8.5m。

3 貫流式水輪機(jī)安裝高程的影響因素

3.1 空化基準(zhǔn)面

根據(jù)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件GB/T15468-2020》的規(guī)定,臥軸反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片最高點(diǎn)處為空化基準(zhǔn)面;而《水輪機(jī)蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)GB/T15613.1-2018》等規(guī)范認(rèn)為,空化基準(zhǔn)面的數(shù)量可多于1個(gè),可在轉(zhuǎn)輪下方與轉(zhuǎn)輪葉片頂部相距0.2D處、轉(zhuǎn)輪葉片頂部、轉(zhuǎn)輪輪轂處均可。美國土木工程師學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)導(dǎo)則及國內(nèi)貫流式水輪機(jī)相關(guān)書籍均以葉片頂部為空化計(jì)算基準(zhǔn)面展開安裝高程推算。結(jié)合對(duì)該水電站貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片最小壓力分布情況的分析,葉片頂部是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片空化最不利點(diǎn),也就是說,轉(zhuǎn)輪頂部不出現(xiàn)空化,則其余部位也必定不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重空化。為簡化模型及真機(jī)空化系數(shù)換算的繁瑣過程,并保證水輪機(jī)安全運(yùn)行,筆者建議,應(yīng)以轉(zhuǎn)輪葉片頂部為貫流式水輪機(jī)空化基準(zhǔn)面。

3.2 空化系數(shù)

貫流式水輪機(jī)安裝高程和吸出高程結(jié)果的合理性受空化系數(shù)取值合理性的影響,空化吸出和比轉(zhuǎn)速關(guān)系,見圖3。結(jié)合大型貫流式水輪機(jī)選型實(shí)踐,可參考圖3中的空化吸出與比轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線進(jìn)行模型空化系數(shù)初選。在可行性研究及設(shè)計(jì)階段,貫流式水輪機(jī)選型時(shí)如果存在模型轉(zhuǎn)輪參數(shù),則直接以模型轉(zhuǎn)輪臨界值或初生空化參數(shù)為空化系數(shù)。如果無模型轉(zhuǎn)輪參數(shù),則可直接采用表2中裝置空化系數(shù)σp統(tǒng)計(jì)公式展開計(jì)算,并比較選定結(jié)果與計(jì)算結(jié)果,綜合選用。

表2 裝置空化系數(shù)

圖3 空化吸出和比轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.3 空化安全系數(shù)

根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范DL-T 5186-2018》,吸出高程計(jì)算公式中的空化安全系數(shù)應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)工作水頭、模型臨界空化系數(shù)、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)等綜合選取。如果模型空化系數(shù)取σ0,則空化安全系數(shù)應(yīng)取小值;相反,若模型空化系數(shù)取σ1,則空化安全系數(shù)應(yīng)取大值。對(duì)于多泥沙流域水輪機(jī)組,空化安全系數(shù)應(yīng)在1.3～1.8之間取值;對(duì)于水質(zhì)清澈流域水輪機(jī)組,空化安全系數(shù)應(yīng)取小值應(yīng)在1.1～1.6間取值。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉運(yùn)行期間僅1/12～1/8的時(shí)間處于嚴(yán)重空化狀態(tài),1/6～1/4的時(shí)間處于輕度空化狀態(tài),1/6～1/4的時(shí)間以及1/12～1/4的時(shí)間分別處于較輕空化、無空化狀態(tài)。老撾北本水電站、老撾薩拉康水電站水輪機(jī)安裝高程計(jì)算時(shí)空化安全系數(shù)均按照臨界空化系數(shù)取值。綜合以上分析,大型貫流式水輪機(jī)空化安全系數(shù)不能盲目根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)取值,必須結(jié)合運(yùn)行實(shí)際,在綜合考慮設(shè)計(jì)深度、空化基準(zhǔn)面、空化系數(shù)類型等的基礎(chǔ)上合理取值。筆者建議,貫流式水輪機(jī)安裝高程確定時(shí),若泥沙含量少、工作水頭小、以葉片頂部位模型及原型轉(zhuǎn)輪空化基準(zhǔn)面或在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,空化系數(shù)應(yīng)按臨界空化系數(shù)在0.15～1.10之間取值;而當(dāng)泥沙含量高、工作水頭大、未以葉片頂部位模型及原型轉(zhuǎn)輪空化基準(zhǔn)面,則空化系數(shù)應(yīng)取1.10及以上。

3.4 設(shè)計(jì)尾水位

貫流式水輪機(jī)安裝高程確定過程中還必須根據(jù)水庫運(yùn)行方式、發(fā)電要求、下游水電站運(yùn)行水位、尾水為～流量關(guān)系特性等,選擇合適的設(shè)計(jì)尾水位。貫流式水電站基本屬于徑流式,且不存在調(diào)節(jié)庫容,一旦其天然流量比滿發(fā)流量小,機(jī)組便會(huì)因流量不足而無法滿發(fā),實(shí)際工作點(diǎn)空化系數(shù)也將低于設(shè)計(jì)工作點(diǎn)空化系數(shù);但當(dāng)天然流量超出棄水流量,水電站便會(huì)出現(xiàn)棄水,下游水位隨之抬高,空化系數(shù)等相關(guān)參數(shù)改變。為此,貫流式水輪機(jī)應(yīng)以水電站發(fā)足裝機(jī)容量的流量對(duì)應(yīng)的下游水位為設(shè)計(jì)尾水位,而不是僅依據(jù)流量、機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)展開選擇。

4 結(jié) 論

綜上所述,貫流式水輪機(jī)安裝高程的確定直接決定著水電站開挖工程量、混凝土澆筑工程量及投資額,采用了文章所提出的方法確定出的水輪機(jī)組安裝高程科學(xué)合理,在節(jié)省投資、保證機(jī)組運(yùn)行安全方面發(fā)揮了重要作用。應(yīng)用結(jié)果表明,按照常規(guī)方法得到的安裝高程均較低,而根據(jù)水位～流量關(guān)系曲線分析計(jì)算得出的安裝高程既能滿足不同運(yùn)行工況機(jī)組汽蝕性能,又最具經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)也說明,該水電站貫流式水輪機(jī)組安裝高程確定時(shí),空化基準(zhǔn)面、空化系數(shù)、空化安全系數(shù)、設(shè)計(jì)尾水位等參數(shù)取值較為合理。